高熱流パルスプラズマ照射実験における 材料温度計測に向けた高速パイロメータの開発

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1 高熱流パルスプラズマ照射実験における 材料温度計測に向けた高速パイロメータの開発
第18回若手科学者によるプラズマ研究会 高熱流パルスプラズマ照射実験における 材料温度計測に向けた高速パイロメータの開発 兵庫県立大学 工学研究科　電気系工学専攻 エネルギー工学研究グループ 礒野　航，菊池祐介，佐久間一行，浅井康博， 大西晃司，中園拓実，中根優人，永田正義，福本直之

2 目次 研究背景・目的 パイロメータの原理 パイロメータの装置構成 実験装置 実験結果 まとめ

3 研究背景・目的

4 ITERにおけるダイバータへのパルス熱負荷
研究背景・目的 トロイダル磁場コイル 中心ソレノイドコイル ダイバータ 真空容器 ブランケット ポロイダル磁場コイル 国際熱核融合炉(ITER)では，磁力線によりプラズマを閉じ込め，核燃焼プラズマの生成・維持を行う．その際，ダイバータ板はディスラプションやEdge Localized Mode(ELM)といったパルス熱負荷に曝され、溶融、破損の恐れがある． 熱負荷の問題 コアプラズマから流出したプラズマは磁力線に沿ってダイバータ板へ導かれる．ダイバータは核融合炉における熱・粒子制御にとって重要な機器である． ダイバータ ITER概略図 ITERにおけるダイバータへのパルス熱負荷 パルス熱負荷 エネルギー密度 [MJ/m2] パルス幅 [ms] ELM 0.2-2 0.1-1 ディスラプション 10-100 1-10

5 研究背景・目的 　本研究グループではダイバータ材料損傷過程を評価するために，磁化同軸プラズマガン装置を用いたパルス熱負荷模擬実験を行ってきた．これまで，高熱流パルスプラズマから材料に付与される熱流束をカロリーメータを用いて計測・評価を行っている．一方，材料損傷過程を解明するには高時間分解能の材料表面温度計測システムが必要である． 背景 　パルス熱負荷時の材料表面温度を高時間分解能(数 ms)で 計測可能な高速パイロメータを開発することを目的とする． 目的

6 パイロメータの原理

7 L 𝜆,𝑇 =𝐴𝛺𝐾𝜀 𝜆,𝑇 2ℎ 𝑐 2 𝜆 5 1 𝑒 ℎ𝑐 𝜆𝑘𝑇 [W∙ sr −1 ∙ m −3 ] (1)
パイロメータの原理 物体が温度Tで放射する分光放射輝度L(l, T)はプランクの法則により以下の式(1)で表される． L 𝜆,𝑇 =𝐴𝛺𝐾𝜀 𝜆,𝑇 2ℎ 𝑐 2 𝜆 𝑒 ℎ𝑐 𝜆𝑘𝑇 　　 [W∙ sr −1 ∙ m −3 ] 　　(1) A : 物体の表面積 [ 𝒎 𝟐 ]，Ω : 立体角 [sr]，K : 光路中の透過率， e(l, T) : 温度T，波長l の放射率，h : プランク定数 [𝐉∙𝒔 ]，c : 光速 [𝐦∙ 𝒔 −𝟏 ]， k : ボルツマン定数 [𝐉∙ 𝑲 −𝟏 ] ある温度の物体と同温度の理想的な物体(黒体)が放出するエネルギーを1としたときの比である．放射率は，物質，表面状態，温度，波長等により変化するため正確な放射率の測定は困難． 放射率

8 パイロメータの原理 𝑇= ℎ𝑐 𝑘 ( 1 𝜆 2 − 1 𝜆 1 ) 𝑙𝑛( 𝑹 𝜆 1 𝜆 2 5 ) [K] (2)
放射率の問題を解決するために式(1)を用いて特定の2波長 𝝀 𝟏 [𝐦]， 𝝀 𝟐 [𝐦]の強度比Rをとる．ここで2波長 𝝀 𝟏 ， 𝝀 𝟐 の差Dλを小さくすると 𝑲 𝟏 ≅ 𝑲 𝟐 、 𝜺 𝟏 𝝀 𝟏 ,𝑻 ≅ 𝜺 𝟐 𝝀 𝟐 ,𝑻 と近似でき，Tについて解くと式(2)が得られる。 𝑇= ℎ𝑐 𝑘 ( 1 𝜆 2 − 1 𝜆 1 ) 𝑙𝑛( 𝑹 𝜆 1 𝜆 ) 　　　　[K] 　　 　(2) ・式(2)より温度Tを放射率に関係なく，2波長　の強度比Rのみで算出することができる． ・測定物体の 𝝀 𝟏 ， 𝝀 𝟐 における放射率は近い値をとる必要がある． ・光検出器はSiフォトダイオードとする． 2波長を750 nm, 800 nmとした．

9 パイロメータの装置構成

10 パイロメータ(採光側) プラズマ 採光側の構成
サンプルホルダー タングステン(φ22 mm，厚さ 50 mm) 光ファイバー （コア径：100 mm，17芯） ガラス管 （合成石英） 64 mm プラズマ 採光側の構成 サンプル前面はプラズマ発光や不純物発光があるため，サンプル背面からの熱放射光を計測可能なサンプルホルダーを用いる， 温度計測をするサンプルはタングステン((W)φ22 mm，厚さ50 mm)とする． 背面放射光を光ファイバーを用いて計測する．

11 パイロメータ(検出器側) 検出器側の構成 PDA応答速度 応答速度 : 4.5 ms
ハーフミラー 集光レンズ コリメートレンズ 光ファイバー バンドパスフィルター (750 nm) (800 nm) Siフォトダイオード アンプ(PDA) 材料の熱放射光を光ファイバーで採光し，コリメートレンズで平行光にする． ハーフミラーで平行光を1 : 1に分岐. バンドパスフィルターで750 nm, 800 nmの波長を透過させ，集光レンズでPDAに集光する． ④ PDA出力比により温度を求める. 検出器側の構成 PDA応答速度 応答速度 : 4.5 ms

12 光学系の校正方法 光学系も含めたPDAの感度校正を行うために，分光放射照度値が得られている校正光源を用いる．
500 mm 光ファイバー （コア径：100 mm，17芯） 光学系も含めたPDAの感度校正を行うために，分光放射照度値が得られている校正光源を用いる． 光源が持つ750, 800 nmの放射照度値比とPDA出力比が同じになるように校正係数を求めることで，光学系統の絶対感度校正が可能である． 分光放射標準電球(ハロゲンランプ)

13 測定可能最低温度予測 計算条件 測定可能最低温度 オシロスコープで1 mV以上を仮に測定可能とすると測定可能最低温度は1700 Kとなる．
光学素子の透過率，表面での反射を考慮 バンドパスフィルターの透過波長幅Dλは透過率1 %以上の領域 放射率の温度依存性は文献値をもとに近似式で計算 PDAの出力抵抗器は51.2 kΩ(応答速度 : 4.50 ms) 温度 750 nm(理論値) 800 nm(理論値) K mV 2000 6.75 10.3 1900 4.09 6.46 1800 2.35 3.84 1700 1.26 2.14 1600 0.625 1.112 1500 0.282 0.528 オシロスコープで1 mV以上を仮に測定可能とすると測定可能最低温度は1700 Kとなる． 測定可能最低温度 実験データを取得する前に，タングステンサンプルの各温度領域におけるにPDA出力値の見積を行った 背面温度とPDA出力の関係

14 実験装置

15 実験装置 磁化同軸プラズマガン 磁化同軸プラズマガン概略図
ガスパフを用いてプラズマ生成ガス(He)を注入し，外部電極と内部電極間に高電圧を印加し，ガスを絶縁破壊させプラズマを生成する． ローレンツ力によりプラズマは前方へ進む． バイアス磁場によってプラズマを制御する． 磁化同軸プラズマガン 磁化同軸プラズマガン概略図

16 実験装置 プラズマ生成部装置図 プラズマ生成用コンデンサ(2.88 mF) プラズマ維持用コンデンサ(336 mF) 内部ドリフト管
イグナイトロン ガスパフバルブ 内部電極 タングステンバルク 内部ドリフト管 バイアスソレノイドコイル プラズマ生成用コンデンサ(2.88 mF) セラミック ターボ分子ポンプ(TMP) 500 mm

17 実験装置 チャンバー装置図 サンプルホルダー (プラズマ照射径φ15 mm) ガラス管支え パイロメータ用光ファイバー
光ファイバーの出力は 検出器へ TMP プラズマ径83.1 mm ターゲットチャンバー 内部ドリフト管 100 mm

18 パルスプラズマ照射時の 材料温度計測結果

19 実験結果（PDA出力） パルスプラズマから材料に付与される熱負荷の時間発展をここではHe II（プラズマイオン）発光波形から推定した．
#7174 パルスプラズマから材料に付与される熱負荷の時間発展をここではHe II（プラズマイオン）発光波形から推定した． He II ( nm) He II 発光終了後直後にPDA出力がピークを向かえ，その後緩やかに減少する． 800 nm 750 nm He II発光強度とPDA出力時間発展

20 実験結果（背面温度計測） 背面温度はHe II発光が消えた直後に約2800 Kのピークを取り，その後緩やかに減少する．
#7174 背面温度はHe II発光が消えた直後に約2800 Kのピークを取り，その後緩やかに減少する． 1700 Kを超えたあたりからPDA出力が約1 mV以上となり、温度算出が可能となった． He II ( nm) He II発光強度と背面温度時間発展

21 熱伝導解析 計算条件 シミュレーションソフトANSYSを用いて3次元熱伝導方程式を計算し，実験結果を検証した．
Wの密度，比熱，熱伝導率の温度依存を考慮した． パルス熱入力波形は実験で計測したHe II発光波形で与えた． 入力する熱流束を変化させ，計測結果と同様の時間発展を示す熱流束値を求める 計算条件 熱流束Q(t) タングステン φ22 mm，厚さ50 mm 熱放射

22 熱伝導解析 シミュレーション結果と 実験結果の比較
・ピーク熱負荷58 MW/m2の時，計測した背面温度の時間発展とシミュレーション結果のピーク値が一致する． ・この時のエネルギー密度は 0.41 MJ/m2と得られた。 従来の熱流束計測器であるカロリーメータ（Wチップ）で同様のプラズマを測定した結果、0.47 MJ/m2が得られた。

23 左図に示すような熱負荷を与えると，温度の立ち上がり部も含めて計測した背面温度と同様の時間発展を示す ．
熱伝導解析 左図に示すような熱負荷を与えると，温度の立ち上がり部も含めて計測した背面温度と同様の時間発展を示す ． エネルギー密度 0.41 MJ/m2

24 PDA出力シミュレーションと計測値の比較
#7174 PDA出力理論値と計測値は同様の傾向を示す．理論値より計測値が少なくなるのは，理論値は放射率を近似で計算しているためだと考えられる． シミュレーション結果との比較

25 まとめ 4.5 msの高速応答が可能なパイロメータを開発した． 計測可能最低温度は1700 Kである．
パルスプラズマ照射時のタングステンサンプル背面温度の時間発展の計測に成功した．

26 ご清聴ありがとうございました